Dynamics of iron and aluminum storages in a subtropical forest headwater stream

The forest headwater streams are important hubs for connecting terrestrial and aquatic ecosystems,with plant litter and sediments as the major carriers for material migrations;however,until now we knew little about the dynamics of trace elements such as iron(Fe)and aluminum(Al)in forest headwater streams.Here,we quantitatively identified the spatiotemporal dynamics of Fe and Al storages in plant litter and sediments and their influencing factors in a subtropical forest headwater stream,and assessed the potential pollution risk.The results showed that:(1)the mean concentrations of Fe and Al in plant litter(sediments)were 5.48 and 8.46(7.39 and 47.47)g·kg^(-1),and the mean storages of Fe and Al in plant litter(sediments)were 0.26 and 0.43(749.04 and 5030.90)g·m^(-2),respectively;(2)the storages of Fe and Al in plant litter and sediments significantly fluctuated from January to December,and showed a decreasing pattern from the source to mouth;and(3)storages of Fe and Al had no significant correlation with riparian forest type and the present of tributary and the Fe and Al storages in plant litter were mainly affected by water temperature and water alkalinity,and their storages in sediments were mainly affected by water temperature and frequency of rainfall;and(4)there were no anthropogenic pollution in Fe and Al in the forest headwater stream.Our study revealed the primary factors of concentrations and storages of Fe and Al in plant litter and sediments in a forest headwater stream,which will improve our understanding of the role of headwater streams in forest nutrient storage and cycling along with hydrological processes.

中亚热带次生林和人工林凋落枝水溶性碳氮磷动态特征

凋落枝是森林地上部分凋落物的重要组分,揭示其水溶性碳氮磷的动态规律对于认识森林物质循环过程具有重要意义,但目前研究集中于凋落叶,而对凋落枝缺乏必要关注。因此,以中亚热带典型马尾松(Pinus massoniana)人工林、杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林和米槠(Castanopsis carlesii)次生林为研究对象,在一个自然年内调查了凋落枝水溶性碳、氮、磷含量及其芳香化指数以及化学计量比的动态变化过程。结果显示:(1)米槠次生林凋落枝水溶性碳、氮、磷含量及芳香化指数明显大于马尾松和杉木人工林;(2)水溶性碳和磷、水溶性碳比磷、水溶性氮比磷和芳香化指数有明显的季节变化;(3)水溶性碳、水溶性磷、水溶性氮比磷和芳香化指数在不同林分和季节间有交互作用。(4)马尾松和杉木人工林、米槠次生林凋落枝水溶性物质含量的季节变化多数与气温和降水呈显著负相关。这些结果表明亚热带次生林可能相对于人工林具有更为高效的以凋落枝为载体的物质循环过程,在未来气候变暖背景下亚热带森林由凋落枝归还给土壤的养分浓度可能降低。

中亚热带杉木人工林和米槠次生林树干茎流和穿透雨磷的动态特征

磷(P)伴随树干茎流和穿透雨输入到森林,成为补充亚热带森林生态系统P流失的一个重要途径,但其在不同类型生态系统中的动态特征缺乏必要的关注。以中亚热带杉木人工林和米槠次生林为研究对象,通过测定2015年6月至2018年8月间树干茎流和穿透雨中P浓度,探讨了2个林分树干茎流和穿透雨P浓度的差异、季节变化特征及影响因素。结果表明,杉木人工林树干茎流和穿透雨P浓度变化范围分别为0.002~0.026,0.003~0.024 mg/L,米槠次生林树干茎流和穿透雨P浓度变化范围分别为0.003~0.024,0.003~0.031 mg/L,2个林分树干茎流和穿透雨P浓度均在夏季表现出显著差异。2个林分的树干茎流P浓度均为夏季高于冬季,杉木人工林穿透雨P浓度在季节上无显著差异,而米槠次生林夏秋季较高,冬春季偏低,树干茎流P浓度略微高于穿透雨。2个林分的树干茎流量在4个季节均具有显著差异,米槠次生林均高于杉木人工林,而穿透雨量在季节上无差异。杉木人工林P浓度与树干茎流量和穿透雨量均呈负相关关系,而米槠次生林P浓度与树干茎流量和穿透雨量均呈正相关关系。表明不同林分林冠结构和形态学特征的差异能显著影响亚热带森林生态系统降水中P的再分配。研究结果为深入认识森林生态系统P随水文过程的动态特征提供基础数据。

中亚热带不同树种对土壤团聚体组成及其碳、氮含量的影响

【目的】分析中亚热带不同树种、土层、粒级及其交互作用对土壤团聚体粒级组成及其碳、氮含量、储量及碳氮比的早期影响,揭示种植不同树种对土壤团聚体组成及其碳、氮含量的影响,以期为中亚热带地区造林和营林中合理选择树种提供科学依据。【方法】通过随机区组设计,于2012年2月在土壤发育和经营历史相同的林地上建立了中亚热带地区常见树种同质园。2019年8月测定各树种不同土层(0~10、10~20、20~30、30~40和40~50 cm)不同粒级(>2、1~2、0.25~1和0.053~0.25 mm)团聚体的质量百分含量、有机碳和全氮含量、储量及碳氮比。【结果】1)各土层团聚体均以>2 mm粒级为主,且>2 mm粒级团聚体的质量百分含量随土层加深而降低,并在木荷、米槠和杜英土壤中较高,而1~2 mm粒级团聚体的质量百分含量则在马尾松林土壤中最高;2)各粒级团聚体的有机碳含量随土层加深而降低,各土层团聚体的有机碳含量则随粒级减小呈先增后减的趋势,其中,0~10 cm土层团聚体的有机碳含量以1~2 mm粒级最高,而20~30、30~40和40~50 cm土层团聚体的有机碳含量则均以0.25~1 mm粒级最高,并在米槠林土壤中最高;3)除0~10 cm土层外,各土层不同粒级团聚体的全氮含量总体在米槠林土壤中最高,在香樟林土壤中最低;4)在20~30、30~40和40~50 cm土层,>2 mm粒级团聚体的碳、氮储量均在米槠林土壤中最高,而其余各粒级团聚体的碳、氮储量均在马尾松林土壤中最高;5)各粒级团聚体的碳氮比均在表层(0~20 cm)土壤较高,在深层(30~50 cm)土壤较低。【结论】各树种种植7年后,不同土层团聚体的粒级组成均以>2 mm为主,且>2 mm粒级团聚体的质量百分含量随土层加深而降低。土壤团聚体的碳、氮储量变化规律与粒级组成变化规律相似,土壤团聚体的粒级组成比团聚体碳、氮含量更能影响团聚体的碳、氮储量,所以种植米槠的土壤碳、氮储量比同期种植马尾松的土壤更高。

马尾松和杉木人工林凋落叶水溶性碳氮磷的季节动态

凋落物中的水溶性氮和磷等组分可以在淋洗作用下直接输入到土壤,成为凋落物元素释放最前端的过程。以亚热带杉木(Cunninghamia lanceolata)和马尾松(Pinus massoniana)人工林为研究对象,对照米槠次生林,分析了一个自然年内凋落叶水溶性碳、氮、磷含量,化学计量比及其芳香化指数的动态特征。结果表明:马尾松人工林凋落叶水溶性碳和氮含量及芳香化指数小于米槠次生林,杉木人工林凋落叶水溶性碳和磷含量及芳香化指数大于马尾松人工林。两种人工林和米槠次生林凋落叶水溶性碳和氮含量均在夏季达到最小值,而芳香化指数在夏季达到最大值;水溶性碳和磷含量在春秋季达到最大值,而芳香化指数则达到最小值。这些结果表明:杉木和马尾松人工林相对于米槠次生林,凋落叶水溶性组分更易于降解,以凋落叶为载体归还土壤的氮相对较少而磷相对较多。夏季凋落叶水溶性碳和氮淋溶损失较多,以凋落叶为载体归还土壤的水溶性碳和氮相对较少,而春季和秋季凋落叶水溶性碳和磷淋溶损失较少,以凋落叶为载体归还土壤的水溶性碳磷相对较多,这些研究结果为亚热带森林经营提供了科学依据。

杉木和米槠人工林土壤可溶性碳组分动态及其对凋落叶输入的响应

可溶性碳组分是土壤有机碳库中最活跃的部分,作为土壤碳周转初期变化的敏感指标,其含量受到凋落叶等植物残体输入、森林类型及季节性水热变化的共同调节。采用土壤原位培养法,以亚热带米槠(Castanopsis carlesii)人工林与杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林为对象,分析生长季内土壤可溶性碳(DOC)与热水溶性碳(HWSC)含量动态变化及其对凋落叶输入的响应趋势。结果表明,凋落叶输入、森林类型和培养月份均极显著影响土壤可溶性碳组分含量(p<0.001)。杉木人工林土壤DOC与HWSC含量整体较高,分别高出米槠人工林15.09%和13.06%,但后者的土壤可溶性有机质芳香化程度更高。经过1个生长季的培养,2种人工林土壤DOC与HWSC含量均明显增加。凋落叶增加生长季米槠人工林土壤DOC与HWSC的含量,但对杉木人工林的影响具有季节差异。研究结果表明杉木人工林土壤DOC与HWSC含量更高,但凋落叶输入促进米槠人工林DOC与HWSC含量,更易于随淋溶过程流失。

亚热带森林源头溪流细颗粒沉积物钾和钠在雨季的动态特征

森林源头溪流不仅是下游水域的水源源头,其所含的钾(K)、钠(Na)等元素也是森林生态系统营养元素的重要组成部分,研究其动态特征有助于深入了解森林-水体连续体间的物质循环和能量流动,但目前仍缺乏关注。因此,以中亚热带森林源头溪流为研究对象,于2021年3—8月连续监测了源头溪流17条河段中细颗粒沉积物K、Na含量和储量的动态。结果表明:1)K、Na含量在整条溪流中相差较小,储量空间异质性较大。2)K含量与储量分别为39.65~47.18 g·kg^(-1)和1572.86~3861.29 g·m^(-2),均在5、6月份达到了较大值,而Na含量和储量分别为5.59~8.50 g·kg^(-1)、220.81~608.05 g·m^(-2),均在8月份达到了最大值。3)Na和K含量与储量在各河段具有显著性差异,其中,溪流两侧植被类型和不同径流对K、Na含量均有显著影响。4)K和Na含量与溪流水面宽度、溪流pH、溶解氧等密切相关,储量与水位、沉积物深度、溪流pH、降雨等呈显著正相关关系。综上所述,K、Na能在溪流中积累,且其动态变化在溪流生态系统中具有一定的稳定性。这些研究结果为深入研究森林-水体作为养分纽带所发挥的重要作用提供新思路。

湿润亚热带森林锰、铜、锌随降雨分配的迁移动态特征

为探究森林生态系统中重金属随降雨分配迁移的特征,连续观测两年降雨,对比分析Mn、Cu、Zn在穿透雨、树干茎流、地表径流中浓度、输出量、变异情况的差异,并讨论了重金属迁移规律的产生机制.结果表明,林型对雨水的再分配有较大影响.米槠次生林树干茎流水量极显著大于杉木人工成熟林,故前者树干茎流的重金属浓度低于后者;对于林内雨,穿透雨中重金属浓度在米槠次生林(阔叶林)更高,树干茎流中重金属浓度则在杉木人工成熟林(针叶林)更高.整体而言,林内雨的重金属浓度在旱季高于雨季,表现出明显的季节变化;林型对地表径流的影响较复杂,体现在植被类型、林龄、土壤理化性质等方面.本研究中,Mn随地表径流的输出量在米槠次生林显著大于其它3种林型;Zn在较大林龄的米槠次生林和杉木人工成熟林有更大的输出量;降雨分配过程中3种元素的浓度变异情况有所不同,表现为Mn变异最大,Zn次之,Cu最稳定.本研究结果对进一步了解森林生态系统中重金属的迁移特征提供了依据.

中亚热带不同森林类型对地表径流磷动态的影响

磷是亚热带森林生产力的主要限制因子之一,其随地表径流的输出是森林磷流失的重要途径,且可能受不同森林类型的显著调控,但缺乏必要关注.着眼于中亚热带不同类型森林的地表径流,分析米槠(Castanopsis carlesii)人工幼林、杉木(Cunninghamia lanceolata)人工幼林、米槠次生林及杉木人工成熟林对地表径流总磷浓度及输出的影响,为深入认识亚热带森林磷迁移过程及有效森林经营提供一定科学基础数据.结果显示:(1)不同森林类型的地表径流产流量大小为米槠人工幼林(1506.06±5.18 m^(3)/hm^(2))>杉木人工幼林(971.56±2.88 m^(3)/hm^(2))>米槠次生林(552.85±2.45 m^(3)/hm^(2))>杉木人工成熟林(468.83±1.81 m^(3)/hm^(2));(2)不同森林类型地表径流总磷浓度之间存在显著差异,表现为米槠次生林(0.239±0.093 mg/L)>杉木人工成熟林(0.138±0.042 mg/L)>杉木人工幼林(0.064±0.033 mg/L)>米槠人工幼林(0.057±0.040 mg/L);(3)4种类型森林地表径流磷输出量为米槠次生林(124.54±1.53 g/hm^(2))>米槠人工幼林(93.24±0.98)g/hm^(2)>杉木人工幼林(72.11±0.1.22 g/hm^(2))>杉木人工成熟林(56.49±0.49 g/hm^(2));(4)4种类型森林的地表径流量与降水之间均存在极显著(P<0.01)的相关关系.上述结果表明不同森林类型磷随地表径流的输出差异显著,阔叶林磷随地表径流的流失可能显著大于针叶林.(图3表2参34)

中亚热带森林两种林型对4种盐基离子随降水分配动态的影响

盐基离子随穿透雨和树干茎流的迁移成为森林元素输入的重要组成部分.在迁移过程中,冠层淋溶、树干冲刷等改变了盐基离子含量,而不同林型的林冠特征、树皮性质等存在差异,因此盐基离子含量在不同林型中可能存在差异对米槠次生林和杉木人工林穿透雨、树干茎流进行为期4年的监测,对比研究4种盐基离子(K+、Ca2+、Na+、Mg2+)浓度和输入量的动态特征.结果显示:(1)米槠次生林树干茎流Ca2+、Mg2+浓度显著低于杉木人工林而K+浓度显著高于杉木人工林;穿透雨除Na+浓度外均为米槠次生林显著高于杉木人工林.穿透雨和树干茎流Na+浓度林型差异不显著.(2)两种林型盐基离子季节动态变化基本一致,在雨季旱季各有一个峰值,雨季浓度普遍低于旱季.米槠次生林盐基离子浓度稳定性普遍高于杉木人工林.(3)分析盐基离子浓度与降雨强度的关系发现:Ca2+、K+、Mg2+浓度随雨量级的增加而降低,Na+浓度随雨量级的增加而增加.(4)观测期间米槠次生林穿透雨累计输入Ca2+、K+、Mg2+和Na+总量分别为47.97、35.17、7.15和12.94 kg/hm2,树干茎流累计输入Ca2+、K+、Mg2+和Na+总量分别为11.38、6.21、1.54和3.00 kg/hm2;杉木人工林穿透雨累计输入Ca2+、K+、Mg2+和Na+总量分别为47.24、26.63、6.43和11.55 kg/hm2,树干茎流累计输入Ca2+、K+、Mg2+和Na+总量分别为4.11、1.20、0.50和0.83 kg/hm2.米槠次生林的林内雨盐基离子输入量大于杉木人工林.总体而言,米槠次生林比杉木人工林有更高的养分输入,能更好地维持生态系统养分的供应;上述结果有助于进一步认识森林物质随水文过程的流动,可为人工林经营管理提供一定科学基础数据.(图6表1参36)

中亚热带4种不同类型森林凋落叶对土壤非结构性碳水化合物的影响

非结构性碳水化合物(NSC)是土壤易降解有机质的重要组分,凋落叶作为土壤有机质的重要来源,可调控土壤NSC动态,且可能受到森林类型的重要影响.选取中亚热带米槠(Castanopsis carlesii)天然林、米槠次生林、米槠人工林和杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林为研究对象,在一个生长季节分析凋落叶输入后土壤NSC(可溶性糖和淀粉)含量的动态变化.结果表明:4种类型森林中凋落叶与土壤NSC及其组分(可溶性糖和淀粉)的关系表现出明显的时间差异.4种类型森林土壤NSC含量在凋落叶添加初期均表现出显著降低,但之后有明显增加的趋势.相对于米槠天然林中凋落叶添加后土壤NSC含量在8月显著增加,其他3种森林中土壤NSC含量增加的时间明显提前,表现为2种米槠人工林在7月显著增加,杉木人工林中在6月显著增加.添加凋落叶后,米槠天然林土壤NSC含量在8月达到最大值3.50μg/g,米槠人工林和杉木人工林土壤NSC含量分别在7月和8月达到最大值3.78μg/g和4.15μg/g.与天然林和次生林不同,2种人工林土壤可溶性糖含量对凋落叶输入的响应幅度相对较小,但含量更高的土壤淀粉对凋落叶的响应更为显著.可见人工林相对于天然林凋落叶与土壤NSC关系更加紧密,结果可为深入认识中亚热带森林地上-地下生态联系提供一定的基础数据.

中亚热带4种类型森林叶片非生物重金属元素重吸收及累积动态

非生物重金属元素的累积可能会对植物生长发育产生不利影响,但林木叶片在衰老过程中是否对这些重金属元素具有重吸收作用尚不清楚。因此,选择中亚热带以米槠为建群种的天然林和次生林以及米槠人工林和杉木人工林4种不同类型森林为研究对象,在一个生长季(4—10月)同步分析林木成熟叶片和新鲜凋落叶片铬(Cr)、镉(Cd)和铅(Pb)的含量变化,探讨不同森林叶片非生物重金属元素的重吸收和累积规律。结果表明:4种森林叶片表现出对3种非生物重金属元素明显的选择性重吸收作用,其重吸收率受森林类型、元素和时间的显著影响。天然林在4月和7—10月对Cr元素重吸收(4月重吸收率最高,达67.8%),在4月和6月对Cd元素重吸收,仅在4月对Pb元素重吸收,其余月份表现出累积特征。次生林在4月(最高达62.5%)、5月和10月对Cr元素重吸收,在4月和10月对Cd和Pb元素重吸收,其余月份表现出累积特征。米槠人工林在整个生长季节中Cr元素均在衰老叶中累积,在8月和9月对Cd元素重吸收,在4月、7—8月和10月对Pb元素重吸收,其余月份表现出累积特征。杉木人工林在4月和10月对Cr元素重吸收,整个生长季节Cd元素均在衰老叶中累积,在10月对Pb元素重吸收,其余月份表现出累积特征。总体来看,天然林和次生林对Cr和Cd元素的重吸收显著高于人工林,而对Pb元素的重吸收特征表现相反。另外,在4种类型森林中,Cr与Pb元素在新老叶片中的变化动态呈显著正相关,并随降水的增加而增加,随气温升高而降低,但Cd与Cr和Pb元素呈显著负相关。这些结果表明,相对于人工林,米槠天然林和次生林对含量较高的Pb元素具有较好的避害能力,为区域森林营建和可持续经营提供了理论依据。

中亚热带3种类型米槠林凋落叶水溶性组分及其氮磷养分含量

凋落物水溶性组分流失是森林凋落物降解最为前端的过程,水溶性组分的动态变化可以在一定程度上指示森林物质循环过程,其研究对于认识天然林转变为次生林和人工林后结构和功能的改变以及不同经营模式的森林管理具有一定的科学意义.以中亚热带典型米槠(Castanopsis carlesii)人工林、米槠次生林和米槠天然林为研究对象,分析凋落叶水溶性组分以及氮磷养分含量特征.结果显示:天然林凋落叶水溶性有机碳含量及其占总有机碳的比例显著高于人工林和次生林(P<0.05),而10、11月和6月人工林凋落叶水溶性氮含量及其占总氮的比例显著高于天然林和次生林(P<0.05),3-8月人工林凋落叶的水溶性碳氮比和水溶性碳磷比则低于天然林和次生林.12月至次年8月,人工林的总碳、总氮和总磷含量显著高于天然林和次生林,并且这一时期凋落叶的总碳氮比、总碳磷比和总氮磷比表现为次生林>天然林>人工林.此外,米槠凋落叶水溶性有机碳和水溶性氮含量在10-11月出现峰值,7-8月相对较低,并与降雨量和气温呈显著负相关关系.总的来说,天然林凋落叶较高的水溶性有机碳含量有利于凋落叶早期降解和以其为载体的物质循环,而人工林凋落叶较高的水溶性养分含量可能导致较为快速的养分循环,有利于人工林的快速生长.(图7表3参32)